Quên nước và quạt đi: Công nghệ mới làm mát chip bằng tia laser, tưởng đốt cháy ai ngờ lại giải nhiệt?

Nếu mọi thứ đi đúng lộ trình, công nghệ này sẽ được thương mại hóa rộng rãi vào cuối năm 2027.

Trong khi các trung tâm dữ liệu hiện đại ngày càng đau đầu vì vấn đề tản nhiệt, một startup có tên Maxwell Labs, với sự hỗ trợ từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, đang nghiên cứu một hướng đi táo bạo chưa từng có: làm mát phần cứng hiệu năng cao bằng tia laser.

Trong nhiều năm, ngành công nghiệp điện toán đã thử qua đủ loại phương pháp làm mát: từ không khí, đến nước ấm, nước lạnh, rồi ngâm thiết bị trong dung dịch chuyên dụng. Nhưng laser – thứ vốn gắn liền với việc tạo nhiệt – lại chưa từng được dùng để làm mát. Dù nghe như nghịch lý, công nghệ mới của Maxwell lại chứng minh điều ngược lại.

Cốt lõi của công nghệ này nằm ở các tấm dẫn nhiệt làm từ vật liệu gallium arsenide (GaAs) siêu tinh khiết – một loại bán dẫn có khả năng di chuyển electron rất cao. Khi chiếu tia laser có bước sóng phù hợp vào GaAs, thay vì sinh nhiệt như thường thấy, vật liệu này lại giải phóng nhiệt ở các vị trí được định sẵn.

Để ứng dụng vào thực tế, các tấm GaAs siêu mỏng sẽ được đặt trực tiếp lên những điểm nóng nhất của chip xử lý. Những hoa văn siêu nhỏ được khắc trong vật liệu giúp dẫn tia laser chính xác đến những vị trí cần làm mát. Phương pháp này không nhằm thay thế hoàn toàn các hệ thống làm mát truyền thống, mà sẽ hỗ trợ làm mát cục bộ với độ chính xác cực cao – chỉ nhắm vào nơi phát sinh nhiệt thay vì làm mát toàn hệ thống.

Một điểm độc đáo khác là nhiệt lượng được lấy đi có thể được thu lại dưới dạng photon, sau đó chuyển hóa trở lại thành điện năng. Nếu được ứng dụng hiệu quả, điều này sẽ mở ra khả năng tăng hiệu suất năng lượng tổng thể cho hệ thống điện toán – một trong những mục tiêu lớn của ngành AI hiện nay.

Công nghệ còn non trẻ nhưng đã có người đặt hàng

Tuy tiềm năng là vậy, công nghệ này hiện mới chỉ dừng ở mô phỏng và thử nghiệm thành phần riêng lẻ – chưa có mô hình hoàn chỉnh được kiểm nghiệm thực tế. CEO Maxwell Labs, ông Jacob Balma, cho biết bản dựng đầy đủ đầu tiên – mang tên MXL-Gen1 – sẽ được hoàn thiện vào mùa thu năm 2025.

Dù vẫn còn trong giai đoạn đầu, Maxwell đã tìm được những khách hàng đầu tiên sẵn sàng thử nghiệm, và dự kiến sẽ bắt đầu giao các hệ thống đầu tiên trong vòng hai năm tới. Nếu mọi thứ đi đúng lộ trình, công nghệ này sẽ được thương mại hóa rộng rãi vào cuối năm 2027.

Dẫu vậy, rào cản lớn nhất với công nghệ này nằm ở chi phí và khả năng sản xuất. Wafers GaAs siêu tinh khiết chỉ có thể được chế tạo bằng những quy trình cực kỳ tốn kém và phức tạp như MBE (molecular beam epitaxy) hoặc MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition). Những quy trình này dễ xảy ra lỗi, dẫn đến chi phí bị đội lên cao.

Hiện tại, một tấm wafer GaAs đường kính 200mm có giá khoảng 5.000 USD, trong khi wafer silicon cùng kích cỡ chỉ có giá… 5 USD. Ngoài ra, GaAs không thể tích hợp trực tiếp với chip silicon truyền thống trên cùng một tấm wafer. Để vượt qua rào cản này, người ta sẽ phải sử dụng các kỹ thuật ghép lớp 3D hoặc wafer bonding – vốn được dùng trong lĩnh vực silicon photonics – tuy khả thi nhưng lại càng làm tăng chi phí.